Oxford ஹைபிரிட் குவாண்டம் கணினி Aharonov–Bohm விளைவை உருவகப்படுத்துகிறது

ஒரு அடிப்படை குவாண்டம் விளைவு ஹைபிரிட் சிமுலேட்டரில்

Oxford பல்கலைக்கழக இயற்பியலாளர்கள் ஒரு hybrid quantum computer-ஐப் பயன்படுத்தி quantum simulation-ல் Aharonov–Bohm விளைவை கவனித்துள்ளனர். பொருள் மற்றும் gauge fields-ஐ ஆய்வு செய்ய வடிவமைக்கப்பட்ட சூழலில் இந்தப் புகழ்பெற்ற குவாண்டம் நிகழ்வு வெளிப்பட்டுள்ளது. Nature Physics-ல் வெளியான இந்த ஆய்வு, qubits மற்றும் quantum oscillators-ஐ ஒரே பரிசோதனை அமைப்பில் இணைக்கிறது.

Aharonov–Bohm விளைவு ஒரு தனித்துவமான குவாண்டம் முடிவை விளக்குகிறது: ஒரு துகள் காந்த flux உள்ள பகுதியைச் சுற்றிச் சென்ற பிறகு அளக்கக்கூடிய phase-ஐப் பெறலாம்; அது காந்தப் புலம் உள்ள பகுதியின் வழியாகச் செல்லாவிட்டாலும் இது நிகழலாம். இந்த விளைவை Yakir Aharonov மற்றும் David Bohm 1959-ல் கணித்தனர்; பின்னர் உண்மையான electrons மூலம் உறுதிப்படுத்தப்பட்டது.

Oxford-ன் முடிவு அந்த அடிப்படை நிரூபணங்களை மாற்றுவதல்ல. மாறாக, lattice gauge theory-யைக் குறிக்கும் வகையில் வடிவமைக்கப்பட்ட quantum simulator-ல் இந்த விளைவு தோன்றுவதை இது காட்டுகிறது. Lattice gauge theories பொருள் மற்றும் gauge fields இடையிலான தொடர்புகளை விவரிக்கப் பயன்படுத்தப்படுவதால் இது முக்கியமானது; particle physics மற்றும் high-energy physics-க்கு தொடர்புடைய மாதிரிகளும் இதில் அடங்கும்.

Gauge fields-ஐ ஏன் உருவகப்படுத்த வேண்டும்?

ஆய்வாளர்கள் விளக்கிய lattice படத்தில், பொருள் ஒரு grid-ன் புள்ளிகளில் இருக்கும்; fields அந்தப் புள்ளிகளை இணைக்கும் links-ல் இருக்கும். அமைப்பு பெரிதாகும்போது கணக்கிடுவது கடினமாகும் தொடர்புகளைப் பிரதிநிதித்துவப்படுத்த இது ஒரு வழியை வழங்குகிறது. Quantum many-body system-ல் சாத்தியங்களின் எண்ணிக்கை வேகமாக அதிகரிப்பதால் classical computers இந்த அளவளாவல் சவாலை எதிர்கொள்கின்றன.

Quantum simulation மற்றொரு வழியை வழங்கும் நோக்கம் கொண்டது. இலக்கு அமைப்பின் ஒவ்வொரு அம்சத்தையும் வழக்கமான கணக்கீட்டால் கணக்கிடுவதற்குப் பதிலாக, தொடர்புடைய விதிகளின்படி செயல்படும் கட்டுப்படுத்தக்கூடிய quantum device-ஐ ஆய்வாளர்கள் உருவாக்குகின்றனர். அந்த சாதனத்தின் அளவீடுகள் simulated system எவ்வாறு பதிலளிக்கிறது என்பதை வெளிப்படுத்தலாம்.

Oxford platform hybrid ஆகும், ஏனெனில் அது இரண்டு வகையான quantum components—qubits மற்றும் quantum oscillators—ஐ இணைக்கிறது. இந்த உறுப்புகள் experimental loop அல்லது plaquette geometry-ஐ உருவாக்குகின்றன என்று source கூறுகிறது. Simulation-ல் Aharonov–Bohm flux மைய loop-ஐத் துளைக்கிறது; இதன் மூலம் அந்த flux-ஐச் சுற்றிச் செல்வதுடன் தொடர்புடைய phase information-ஐ quantum system தக்கவைக்கிறதா என்பதை குழு சோதிக்க முடிகிறது.

நேரடி தொடர்பின்றி ஒரு phase

அன்றாட classical புரிதலில், மின்சாரம் ஏந்திய பொருளின் இயக்கம் அது பயணிக்கும் இடத்திலுள்ள electric மற்றும் magnetic fields-ஆல் தீர்மானிக்கப்படுகிறது. Aharonov–Bohm விளைவு quantum mechanics இன்னும் நுட்பமானது என்பதை காட்டுகிறது. ஒரு துகள் தனது பாதைக்குள் அடைக்கப்பட்ட magnetic flux-ன் இருப்பால் பாதிக்கப்படலாம்; magnetic field இருக்கும் பகுதியை அது தவிர்த்துச் சென்றாலும் இது நிகழலாம்.

காணக்கூடிய விளைவு phase ஆகும். Quantum states wave-like amplitudes மூலம் விவரிக்கப்படுகின்றன; phases இந்த amplitudes-ன் interference-ஐ மாற்றக்கூடும். எனவே phase ஒரு வழக்கமான trajectory அல்லது force அல்ல என்றாலும், அதை இயற்பியல் ரீதியாக அளக்க முடியும். Interferometric சூழலில், வெவ்வேறு பாதைகள் சேர்ந்து தேங்கிய phase-ஐ வெளிப்படுத்தலாம்.

Oxford பரிசோதனை இந்த தர்க்கத்தை simulator-ன் உள்ளே மீண்டும் உருவாக்குகிறது. சாதனை chip-ல் magnetic field-ஐ பிரதிநிதித்துவப்படுத்துவது மட்டும் அல்ல. Qubits மற்றும் oscillators இணைந்து lattice-gauge பிரச்சினையின் கூறுகளை encode செய்யும் தளத்தில் தனிச்சிறப்பான phase behavior-ஐக் கவனிப்பதே சாதனை.

Hybrid hardware வழங்குவது என்ன

வெவ்வேறு quantum hardware elements வெவ்வேறு பணிகளுக்கு பயனுள்ளதாக இருக்கலாம். Qubits discrete quantum states-ஐ வழங்குகின்றன; oscillators மற்றொரு வகையான quantum degree of freedom-ஐ வழங்குகின்றன. அவற்றை இணைத்ததன் மூலம் matter மற்றும் gauge fields இடையிலான interactions-ஐ model செய்யக்கூடிய hybrid system-ஐ ஆய்வாளர்கள் உருவாக்கினர்.

Classical computers-க்கு சிக்கலாகும் பிரச்சினைகளில் hybrid systems இந்த interactions-ஐ simulate செய்ய முடியும் என்பதற்கான demonstration ஆக source இந்த முடிவை குறிப்பிடுகிறது. Device பெரிய அளவிலான particle-physics கணக்கீட்டை தீர்த்துவிட்டது அல்லது ஒவ்வொரு தொடர்புடைய பணியிலும் classical computing-ஐ மிஞ்சிவிட்டது என்ற கூற்று இதில் இல்லை. புதிய simulation architecture-ல் ஒரு அடிப்படை விளைவை கட்டுப்படுத்தப்பட்ட முறையில் கவனித்ததே இதன் முக்கியத்துவம்.

Quantum computing முன்னேற்றத்தை மதிப்பிடும்போது இந்த வேறுபாடு முக்கியமானது. ஆரம்பகட்ட பரிசோதனைகள் ஒரு hardware platform குறிப்பிட்ட physical phenomenon அல்லது building block-ஐ நம்பகமாக செயல்படுத்த முடியும் என்பதை நிறுவுகின்றன. மேலும் சிக்கலான models, பெரிய lattices அல்லது கடினமான calculations நோக்கி விரிவுபடுத்துவதற்கு முன் இத்தகைய demonstrations அவசியமான படிகள்.

சிக்கலான simulations நோக்கிய பாதை

Lattice gauge theories quantum simulators-க்கு ஈர்க்கக்கூடிய இலக்காக உள்ளன. ஏனெனில் அவை இயற்பியலின் மையமான, ஆனால் அமைப்பு பெரிதாகும்போது கையாள சிரமமான interactions-ஐப் பிடிக்கின்றன. Lattice-gauge சூழலில் Aharonov–Bohm விளைவை நிரூபிப்பது தெளிவான benchmark-ஐ வழங்குகிறது: gauge structure-க்கு தொடர்புடைய quantum phase-ஐ hardware பாதுகாத்து வெளிப்படுத்த வேண்டும்.

Hardware diversity ஏன் முக்கியமாக இருக்கலாம் என்பதையும் இந்தப் பரிசோதனை காட்டுகிறது. Quantum computing பெரும்பாலும் qubit எண்ணிக்கையை அதிகரிக்கும் போட்டியாகப் பேசப்படுகிறது. ஆனால் பயனுள்ள systems வெவ்வேறு quantum components-ஐ இணைத்து அவற்றின் interactions-ஐ கட்டுப்படுத்தும் திறனையும் சார்ந்திருக்கலாம். ஒவ்வொரு simulation task-க்கும் ஒரே component type போதுமானது என்று கருதாமல், qubits மற்றும் oscillators-ஐப் பயன்படுத்தும் இந்த Oxford வேலை அந்த design strategy-க்கான ஓர் எடுத்துக்காட்டு.

தற்போது அறிவிக்கப்பட்ட முன்னேற்றம் ஒரு targeted proof of principle ஆகும். Aharonov–Bohm விளைவு கண்கூடும் quantum signature ஆகச் செயல்படும் hybrid device-ல் gauge-related physics-ஐ ஆய்வு செய்யும் வழியை இது காட்டுகிறது. நீண்டகால வாக்குறுதி, classical முறையில் model செய்வது கடினமான மேலும் சிக்கலான interactions-ஐ ஆய்வு செய்ய இத்தகைய systems உதவக்கூடும் என்பதாகும்.

Quantum platforms முதிர்ச்சியடையும் போது, அவை எதை துல்லியமாக simulate அல்லது calculate செய்ய முடிகிறது என்பதோடு meaningful measures தொடர்ந்து இணைந்திருக்கும். இந்த முடிவு ஒரு பரிசோதனை அடிப்படையிலான குறியீட்டை வழங்குகிறது: hybrid quantum computer ஒரு புதிய lattice-gauge சூழலில் குவாண்டம் இயற்பியலின் வரலாற்றுச் சிறப்புமிக்க கருத்தை மீண்டும் உருவாக்க முடியும்.

இந்தக் கட்டுரை Phys.org-ன் செய்தியறிக்கையை அடிப்படையாகக் கொண்டது. மூலக் கட்டுரையைப் படிக்கவும்.